基于BIM技術(shù)的建筑全壽命綜合管理模式研究

孟 劼

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730030)

基于BIM技術(shù)的建筑全壽命綜合管理模式研究

孟 劼

(甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730030)

結(jié)合國內(nèi)外在建筑信息模型(BIM)技術(shù)方面的研究和應(yīng)用成果，論述了以三維信息化模型為核心的建筑工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全壽命一體化管理模式，可供建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作參考。

建筑信息模型，全壽命，物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

當(dāng)前，全球進(jìn)入信息化的步伐日益加快，信息技術(shù)及其應(yīng)用已成為國家實(shí)現(xiàn)信息化發(fā)展戰(zhàn)略的助推器。以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)為代表的新型技術(shù)，正基于當(dāng)前信息采集、移動(dòng)通信和計(jì)算機(jī)等軟硬件科學(xué)的發(fā)展而得到迅速推廣普及，這為開展工業(yè)化與信息化融合和智慧城市建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

BIM技術(shù)通過在計(jì)算機(jī)中建立虛擬的建筑結(jié)構(gòu)三維模型，以數(shù)字技術(shù)整合項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、施工和環(huán)境等相關(guān)信息，通過中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行集中管理，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，使工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維人員對(duì)各種建筑信息和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)做出正確理解和高效應(yīng)對(duì)，為設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)以及包括建筑運(yùn)營單位在內(nèi)的各方建設(shè)主體提供協(xié)同工作的基礎(chǔ)，更加高效地對(duì)工程項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、溝通交流、進(jìn)度計(jì)劃、質(zhì)量監(jiān)控、成本控制和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)等進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)作管理。

1 設(shè)計(jì)階段

得益于BIM系統(tǒng)強(qiáng)大的信息綜合協(xié)同能力，在建筑工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，可利用該系統(tǒng)進(jìn)行場(chǎng)地分析、建筑策劃、方案論證、可視化設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)、性能化分析、工程量統(tǒng)計(jì)、管線綜合等工作[1]，使得設(shè)計(jì)工作更為精細(xì)合理。

在建筑項(xiàng)目的前期階段，可通過BIM系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合，對(duì)場(chǎng)地、環(huán)境及擬建的建筑物空間進(jìn)行建模和綜合分析，為場(chǎng)地規(guī)劃、交通組織關(guān)系、建筑布局等關(guān)鍵要素的決策提供支撐。在此基礎(chǔ)上，通過BIM系統(tǒng)進(jìn)行布局、外觀、照明、結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全等方面的可視化建模和定量分析，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的建筑策劃和論證，在前期的可視化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)后期建筑、結(jié)構(gòu)和運(yùn)營方式上的“所見即所得”。

BIM系統(tǒng)所包含的三維模型和三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得不同專業(yè)、不同部門在設(shè)計(jì)階段可以在統(tǒng)一的模型上實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)。在建筑工程設(shè)計(jì)中，BIM系統(tǒng)的一個(gè)重要功能是碰撞檢查，這在配備大量綜合管線的建筑中起到至關(guān)重要的作用。此外，當(dāng)前以二維圖形為主要形式的CAD協(xié)同設(shè)計(jì)，主要以圖形信息為主，不包含材料、功能等附加信息。而BIM系統(tǒng)在三維模型基礎(chǔ)上，加載各類屬性信息，實(shí)現(xiàn)與專業(yè)交叉相關(guān)的功能模擬，例如在統(tǒng)一的模型中實(shí)現(xiàn)聲、光、熱等特性的模擬，從而使得專業(yè)協(xié)同由傳統(tǒng)的空間協(xié)同走向以用戶體驗(yàn)為直接目標(biāo)的功能協(xié)同。

BIM技術(shù)設(shè)計(jì)的核心載體是數(shù)字化三維模型，這使得在二維CAD時(shí)代設(shè)計(jì)成果(圖紙)和性能分析之間的鴻溝得以跨越，結(jié)構(gòu)和性能分析不再完全依賴于設(shè)計(jì)人員依據(jù)圖紙?jiān)诜治鲕浖兄匦螺斎雲(yún)?shù)建立模型，在很多場(chǎng)合，BIM三維模型可不經(jīng)修改或經(jīng)由少量修改而直接導(dǎo)入分析軟件，且BIM模型本身是包含材料和功能信息的，在數(shù)據(jù)接口兼容的條件下，可直接作為性能分析的邊界條件。

值得指出，當(dāng)前主流的BIM建模軟件，完全實(shí)現(xiàn)與結(jié)構(gòu)分析的對(duì)接還需要一個(gè)過程。例如對(duì)常見的框架結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)等，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的考察，通常需要基于桿系單元、板單元和集中質(zhì)量單元進(jìn)行反應(yīng)譜、時(shí)程分析，出于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本計(jì)算原理的考慮，模型應(yīng)在反映動(dòng)力特性的基礎(chǔ)上盡可能簡(jiǎn)化，抓主要矛盾進(jìn)行動(dòng)力學(xué)抽象，若采用三維實(shí)體模型進(jìn)行動(dòng)力分析，則除計(jì)算效率的限制之外，由于模態(tài)識(shí)別、積分穩(wěn)定性等帶來的問題亦不容忽視。

同時(shí)，設(shè)計(jì)模型和分析模型之間在材料和功能屬性上的關(guān)聯(lián)，亦存在取舍關(guān)系，即設(shè)計(jì)模型中所包含的屬性信息，在分析模型中可能存在冗余或欠缺，解決這一矛盾的途徑之一是在設(shè)計(jì)軟件和前期標(biāo)準(zhǔn)制定中，充分實(shí)現(xiàn)材料和功能屬性的標(biāo)準(zhǔn)化，即設(shè)計(jì)人員僅需要指定數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有的材料，在與分析模型對(duì)接時(shí)，由軟件從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中調(diào)取所需信息。

工程量統(tǒng)計(jì)是BIM系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中一個(gè)突出優(yōu)勢(shì)。由于模型設(shè)計(jì)完全基于三維空間圖形，且包含工程屬性，因而借助這些信息，計(jì)算機(jī)可快速對(duì)各類構(gòu)件和所屬材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。一方面，在任何變更發(fā)生后都可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)的工程量統(tǒng)計(jì)；另一方面，由于構(gòu)件均建立實(shí)際模型，鋼筋的彎折、切割都可以實(shí)現(xiàn)精確模擬，從國內(nèi)外已實(shí)施BIM設(shè)計(jì)的項(xiàng)目來看，在前期成本估算、施工階段物料控制方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，在方案階段，也可根據(jù)即時(shí)的工程量統(tǒng)計(jì)為方案比選提供有力支撐。

從國內(nèi)已實(shí)施項(xiàng)目看，南京祿口國際機(jī)場(chǎng)二期工程設(shè)計(jì)中，基于BIM系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，在復(fù)雜結(jié)構(gòu)形體設(shè)計(jì)及優(yōu)化、施工組織管理、管線分析與優(yōu)化、功能和災(zāi)變應(yīng)急分析等方面實(shí)現(xiàn)了BIM在大型復(fù)雜項(xiàng)目中的深度應(yīng)用[2]。

2 施工階段

在施工階段，BIM系統(tǒng)可利用其數(shù)據(jù)融合功能，在統(tǒng)一平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)施工組織設(shè)計(jì)、進(jìn)度模擬和數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)配合工作。由于BIM的設(shè)計(jì)成果以三維可視化裝配式模型為核心，因而便于在時(shí)間軸上以可視化的形式表達(dá)施工全過程，即將空間信息與時(shí)間信息整合為一個(gè)4D的過程化模型。從而可以對(duì)施工過程中的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和工序進(jìn)行直觀了解和安排，把握整個(gè)施工中的關(guān)鍵工序和實(shí)施難點(diǎn)。在集約化平臺(tái)的統(tǒng)一管理下，可通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜合管理技術(shù)，對(duì)施工過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)提供提示、應(yīng)急響應(yīng)管理等功能，并通過信息推送(如郵件、手機(jī)短信、客戶端信息等)為相關(guān)部門和人員提供預(yù)警或報(bào)警服務(wù)。

從國內(nèi)外已實(shí)施工程看，三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在施工過程中的應(yīng)用，為復(fù)雜形體的精確安裝提供顯著便利。例如上海中心大廈復(fù)雜異型框架的精確裝配、大型阻尼器系統(tǒng)的精確定位等工作，均在BIM系統(tǒng)的協(xié)助下得以高效、順利完成。

伴隨結(jié)構(gòu)構(gòu)件工廠化制造、裝配式施工技術(shù)乃至3D打印技術(shù)的發(fā)展，BIM系統(tǒng)在數(shù)字化建造、物料跟蹤等現(xiàn)代施工工藝的實(shí)施中，將發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。與現(xiàn)實(shí)相符的三維設(shè)計(jì)成果，可直接提供至預(yù)制工廠，通過數(shù)控加工設(shè)備，實(shí)現(xiàn)物料跟蹤備置、鋼筋混凝土構(gòu)件預(yù)制和養(yǎng)護(hù)、成品出庫過程的自動(dòng)化，減少對(duì)人力資源的依賴，同時(shí)以機(jī)床式加工來提高制造精度。這將使得以傳統(tǒng)人力組織為主的土木工程施工行業(yè)，轉(zhuǎn)向自動(dòng)化生產(chǎn)與用戶定制相結(jié)合的具備“工業(yè)4.0”特征的新模式。

3 運(yùn)維階段

建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)維階段，是設(shè)計(jì)和施工工作在時(shí)間上的延伸和功能上的實(shí)現(xiàn)，因而，利用BIM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成果和經(jīng)由施工階段形成的竣工成果，實(shí)現(xiàn)基于三維模型的可視化運(yùn)維管理，是BIM系統(tǒng)在全壽命管理工作的傳承。在運(yùn)維階段，可將在設(shè)計(jì)階段包含的大量資產(chǎn)信息導(dǎo)入資產(chǎn)管理系統(tǒng)，利用RFID射頻標(biāo)簽技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)變更、運(yùn)維記錄等功能。同時(shí)，針對(duì)用戶的個(gè)性化需求，可實(shí)現(xiàn)空間變更的實(shí)時(shí)化分析，從功能屬性、空間資源利用率、環(huán)境影響、防災(zāi)功能等方面給予論證。

基于現(xiàn)代傳感技術(shù)、無線通信技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)，對(duì)運(yùn)維階段的結(jié)構(gòu)性能、環(huán)境條件等要素進(jìn)行在線采集，通過BIM中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行集約化運(yùn)維管理，即構(gòu)成以BIM系統(tǒng)為核心的建筑工程運(yùn)維管理物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。由于BIM數(shù)據(jù)庫可包含基本結(jié)構(gòu)信息、歷史運(yùn)維數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)，因而可方便地在統(tǒng)一平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)、云計(jì)算，并將單體建筑的系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)融合，匯入智慧城市等更高層次的管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、環(huán)境、氣象、政務(wù)等系統(tǒng)的整合，使得不同用戶、不同利益方在BIM平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)虛擬統(tǒng)一。在基于云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)管理模式下，居民和管理部門可以通過計(jì)算機(jī)終端或手機(jī)客戶端，以不同權(quán)限用戶來查看建筑的結(jié)構(gòu)特性、安全狀態(tài)、人流量等功用信息。通過對(duì)結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的監(jiān)控，可在實(shí)時(shí)分析的基礎(chǔ)上了解結(jié)構(gòu)可能存在的安全問題，在風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生后，可通過數(shù)據(jù)共享和應(yīng)急預(yù)案?jìng)鬟f，實(shí)現(xiàn)多部門協(xié)同工作模式下的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)和善后處置。

4 結(jié)語

對(duì)BIM系統(tǒng)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維階段的應(yīng)用特點(diǎn)分析表明，以三維模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為核心的建筑信息模型(BIM)技術(shù)，可以在設(shè)計(jì)階段通過幾何模型和材料、功能信息的集成實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、分析、變更和專業(yè)協(xié)同工作的高效應(yīng)對(duì)，由此交付的信息化設(shè)計(jì)成果，將為施工階段和運(yùn)維階段的工作提供傳承的對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)全壽命的綜合管理，具有巨大的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用前景。

[1] 過 俊.BIM在國內(nèi)建筑全生命周期的典型應(yīng)用[J].建筑技藝,2011(Z1):95-99.

[2] 現(xiàn)代設(shè)計(jì)集團(tuán)華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司.南京祿口國際機(jī)場(chǎng)二期工程——BIM在大型復(fù)雜項(xiàng)目中的深度應(yīng)用[Z].

Life-cycle structural management based on BIM technology

Meng Jie

(GansuInstituteofArchitecturalDesignandResearch,Lanzhou730030,China)

Combining with the research and application results of Building Information Model(BIM) technology at domestic and foreign, this paper discussed the construction engineering design, construction, operational life-cycle integrated management mode taking the 3D information model as the core, provided reference for the structure design work.

Building Information Model, life-cycle, Internet of things

1009-6825(2015)28-0243-02

2015-07-25

孟 劼(1981- )，女，工程師

TU712

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